Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc bằng phương pháp điều khiển vecto tựa từ thông roto (FOC)

Mục lục

Mục Lục
Danh mục hình ảnh .........................................................................................................
Danh mục từ viết tắt ........................................................................................................
Lời nói đầu .......................................................................................................................
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC
CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA ........................................................ 1
1.1

Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha ........................................................1

1.1.1

Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha ......................................................1

1.1.2

Nguyên lý hoạt động ...................................................................................3

1.2.3

Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha ..................................5

1.3

Động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc .............................................................7

1.4

Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đfồng bộ ........................10

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC ....................................... 13
2.1

Mơ tả tốn học động cơ khơng đồng bộ 3 pha .................................................13

2.2

Phép biến đổi tuyến tính khơng gian vector .....................................................15

2.3

Mơ hình hóa .....................................................................................................18

2.3.1

Quy ước .....................................................................................................18

2.3.2

Các phương trình của động cơ ...................................................................19

2.3.3

Mơ hình hóa động cơ khơng đồng bộ trên tọa độ d,q ................................20

2.3.4

Tính tốn tham số động cơ .........................................................................22

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................ 24
3.1

Cấu trúc điều khiển ..........................................................................................24

3.2

Thiết kế mạch vòng dòng điện .........................................................................25

3.3

Thiết kế bộ điều chỉnh từ thông .......................................................................26

3.4

Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ ...........................................................................27

3.4.1

Trường hợp hệ truyền động có qn tính nhỏ ............................................28

3.4.2

Trường hợp hệ truyền động có qn tính lớn .............................................28

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch


Danh mục hình ảnh

Danh mục hình ảnh
Hình 1.1-Cấu tạo động cơ khơng đồng bộ ......................................................................1
Hình 1.1-Cấu tạo Stator động cơ khơng đồng bộ ............................................................2
Hình 1.1-Rotor lồng sóc động cơ khơng động bộ ...........................................................2
Hình 1.4- Nguyên lý làm việc của động cơ khơng đồng bộ ba pha ................................3
Hình 1.5- Sơ đồ thay thế một pha động cơ khơng đồng bộ .............................................5
Hình 1.6- Đường đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ ba pha ..................................6
Hình 1.7- Cấu tạo chính của động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc ....................9
Hình 2.1- Tương quan giữa hệ toạ độ  và toạ độ ba pha a,b,c ..................................15
Hình 2.2- Cuộn dây 3 pha nhìn trên  ........................................................................16
Hình 2.3 Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳ ................................................................16
Hình 2.4- Các đại lượng is , r của động cơ trên các hệ toạ độ .....................................17
Hình 2.5-Mơ hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ trên tọa d, q ..........................21
Hình 3.1-Cấu trúc điều khiển tựa từ thơng Rotor-FOC.................................................24
Hình 3.2-Cấu trúc điều khiển mạch vịng dịng điện .....................................................25

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch


Danh mục từ viết tắt

Danh mục từ viết tắt

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch


Lời nói đầu

Lời nói đầu
Trong những năm gần đây quá trình cơng nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát

triển mạnh mẽ. Do đó động cơ điện năng đóng vai trò rất quan trọng trong các ngành
sản xuất cũng như đời sống. Vì vậy các loại động cơ điện được chế tạo ngày càng hồn
thiện hơn, trong đó động cơ điện không đồng bộ 3 pha chiếm tỉ lệ lớn trong các ngành
công nghiệp do động cơ không đồng bộ 3 pha có nhiều ưu điểm như việc khởi động dể
dàng,giá thành rẻ, vận hành êm,kích thước nhỏ gọn, làm việc chắc chắn,đặc tính làm
việc tốt, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành và bảo trì thấp.tuy vậy nó có nhược điểm
đặc tính cơ phi tuyến mạnh nên trước đây, với các phương pháp điều khiển còn đơn
giản, loại động cơ này phải nhường chỗ cho động cơ điện một chiều và không được ứng
dụng nhiều. với sự phát triển mạnh của ngành khoa học kỉ thuật ngày nay như ngành kỉ
thuật vi xử lý, điện tử công suất cộng các lý thuyết điều khiển, truyền động thì việc ứng
dụng động cơ không đồng bộ 3 pha là được ứng dụng rộng rải trong hệ thống truyền
động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần động cơ một chiều. Có nhiều
phương pháp điều chỉnh vận tốc động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc.
Bài nghiên cứu này nhóm em chọn: “Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ
không đồng bộ ba pha roto lồng sóc bằng phương pháp điều khiển vecto tựa từ
thơng roto (FOC)”
Gồm các phần chính sau:
1. Tổng quan.
2.Xây dựng cơ sở thuật toán FOC.
3. Thiết kế bộ điều khiển.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch


Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH

TỐN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
1.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha
1.1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha
Động cơ không đồng bộ ba pha có cấu tạo được thể hiện dưới hình 1.1.

Hình 1.1 -Cấu tạo động cơ khơng đồng bộ

1-Lõi thép Stator, 2-Dây quấn Stator, 3-Nắp máy, 4-Ổ bi, 5-Trục máy, 6-Hộp dầu
cực 7-Lõi thép Rotor, 8-Thân máy, 9-Quạt làm mát, 10- Hộp quạt
 Stator (phần tĩnh).
Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngồi ra cịn có vỏ máy và
nắp máy.
Lõi thép Stator có dạng hình trụ, được tạo lên từ các lá thép kỹ thuật điện, có các
rãnh được dập bên trong, ghép lại tạo thành các rãnh dài theo hướng trục. Lõi thép được
ép vào trong vỏ máy.
Dây quấn Stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và được quấn
trên các rãnh của lõi thép.
Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha sẽ tạo nên từ trường quay.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

1


Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha
Vỏ máy có thân và nắp máy thường được làm bằng gang.
 Rotor (phần quay).
Rotor là phần quya của động cơ gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. Lõi thép rotor
gồm các lá thép kỹ thuật diện được lấy từ phần bên trong lõi thép stator ghép lại, mặt

ngoài dập rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để gắn trục máy.
Trục máy động cơ không đồng bộ làm bằng thép và được gắn vào rotor. Dây quấn
rotor có hai kiểu: Rotor ngắn mạch hay cịn gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn.
Rotor lồng sóc: gồm các thanh đồng hay thanh nhôm đặt trong rãnh và được nối
với nhau bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với đơng cơ có kích thước nhỏ, dây quấn
rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh
quạt làm mát. Các động cơ có cơng suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng đước đặt
vào các rãnh của rotor và ngắn chặt bằng hai vành ngắn mạch.
Rotor dây quấn: được quấn dây giống như dây quấn ba pha trên stator và có cùng
số cực từ như stator. Dây quấn kiểu này luôn đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào ba
vành trượt gắn vào trục quay của rotor và được cách điện với trục. Ba trổi than cố định
và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động
cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.

Hình 1.1-Cấu tạo Stator động cơ khơng
đồng bộ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

Hình 1.2-Rotor lồng sóc động cơ không
động bộ

2


Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha
1.1.2 Nguyên lý hoạt động
Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau
120o trong khơng gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường

quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét
qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh
dẫn. Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dịng
điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác
dụng vào chính dịng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban
tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay.
Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua. Nếu roto quay
với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần
cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ khơng cịn, momen quay cũng khơng
cịn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ
trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto
tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Đồng cơ
làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ khơng đồng bộ hay động cơ xoay chiều.

Hình 1.3- Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

3


Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha
Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no (vịng/phút) thì tốc độ quay của
roto là ω (hay n) luôn nhỏ hơn ( ω < ωo ; n < no ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi
là độ trượt s:

s=

o − 

o

(1.1)

Từ đó ta có:
ω = ωo(1 – s)

(1.2)

n = no(1 – s)

(1.3)

Hay

Với:

2n
60

(1.4)

2n o 2f1
=
60
p

(1.5)

=

o =

f1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato.
Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu khơng có lực cản nào.
Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.
Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.
Dịng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều
với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay:

f2 =

p(n o − n )
= sf1
60

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

(1.6)

4


Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha
1.2.3 Đặc tính cơ của động cơ điện khơng đồng bộ ba pha
Phương trình đặc tính cơ:
Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba
pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi,
tổng trở mạch từ hóa khơng đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện

áp lưới hồn tồn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1-5

Hình 1.4- Sơ đồ thay thế một pha động cơ
không đồng bộ

Trong đó:
U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V).
Iµ, I1, I’2 – dịng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato
(A).
Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã
quy đổi về stato (Ω).
Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy đổi
về stato (Ω).
Phương trình đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa
mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:

M=

3U12 R '2
2


R '2 
so  R1 +
+
X
nm 

s





,[Nm]
(1.7)

Trong đó:
Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2
GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

5


Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha
Đường đặc tính cơ:
Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị của
M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường đặc
tính cơ của động cơ điện xoay chiều khơng đồng bộ ba pha.

Hình 1.5- Đường đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ ba pha

Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:

dM
=0
ds

(1.8)

Giải phương trình ta có:

s th = 

R '2
R +X
2
1

(1.9)
2
nm

Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:

M th =

3U12
2
2o (R1  R12 + X nm
)

(1.10)

Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị sth và
Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

6

Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha
Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có
hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn
này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên
đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này động cơ làm việc
không ổn định trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 (s = 1) và
momen mở máy.
1.3 Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Ta đi tổng quan về động cơ khơng đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai
dây quấn trong đó chỉ có dây quấn stato (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới với
tần số fs, dây quấn rôto (dây quấn thứ cấp) được nối ngắn mạch (hoặc được khép
kín qua điện trở). Dịng điện trong dây quấn rơto được lấy cảm ứng từ phía dây
quấn stato, có tần số fr và là hàm của tốc độ góc rơto r. So với động cơ một chiều,
động cơ không đồng bộ có ưu điểm về mặt cấu tạo và giá thành,làm việc tin cậy
và chắc chắn. Khuyết điểm chính cuả động cơ KĐB là đặc tính mở máy xấu và
khống chế các q trình q độ khó khăn hơn so với động cơ một chiều. Trong
thời gian gần đây, với sự hỗ trợ của một số nghành khoa học khác như: Điện tử
công suất, kỹ thuật vi xử lý ... đã làm tăng khả năng sử dụng đối với động cơ
khơng đồng bộ ngay cả trong những trường hợp có yêu cầu điều chỉnh tự động
tốc độ trong dải rộng với độ chính xác cao mà trong các hệ truyền động trước đây
vẫn thường phải sử dụng động cơ một chiều.
Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên
lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của roto khác với tốc độ từ trường quay trong máy.
Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt
vì chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao,vận hành đơn giản,hiệu suất cao,và gần
như khơng bảo trì.dải cơng suất rất rộng.

Các chi tiết chính của động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc như
hình:

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

7


Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha
Trong đó:
01-Thân động cơ

10-Cánh quạt gió ngồi

02-Trục động cơ

11-Nắp ổ lăn ngồi sau

03-Nắp ổ lăn ngồi trước

12-Nắp che quạt gió

04-Năp trước

13-Thân hộp cực

05-Móc cẩu

14-Nắp hộp cực

06-Cum lõi thép STATO

15-Ống ra dây

07-Cụm lõi thép RƠTO

16-Then đầu trục

08-Nắp sau

17-Vít tiếp địa

09-Vịng bi

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

8


Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha

Hình 1.6- Cấu tạo chính của động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc

Hình ảnh về rotor lồng sóc:

Lá thép của rotor và stator:

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

9


Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha
Các thanh nhôm được gắn trên rotor (thành dạng "cái lồng nhốt con sóc" nên gọi
là "lồng sóc") :

1.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đfồng bộ

Ta có từ phương trình momen của động cơ : M =

3U 1

2

R' 2
S

R'
w1[( R1 + 2 ) 2 + X 2 nm ]
S

ta có

thể dựa vào đó để điều khiển moomen bằng cách thay đổi các thông số như điện trở
phụ,tốc độ trượt,và tần số nguồn cấp.
• Điều khiển điện áp stator
Do momen động cơ không đồng bộ tỷ lệ bình phương điện áp stato,do đó có thể

điều chỉnh được momen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato
trong khi giử nguyên tần số.đây là phương pháp đơn giản nhất.chỉ sử dụng một bộ biến
đổi điện năng (biến áp,triristor)để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator.phương
pháp này kinh tế nhưng đặc tính cơ thu được khơng tốt,thích hợp với phụ tải máy
bơm,quạt gió.
• Điều khiển điện trở roto
Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục,quạt gió,bơm nước;bằng việc điều khiển
tiếp điểm hoặc trisistor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ ,của roto ta điều khiển
được tốc độ động cơ,phương pháp này có ưu điểm mạch điện an tồn,giá thành rẻ.nhược
điểm:đặc tính điều chỉnh khơng tốt,hiệu suất thấp,vùng điều chỉnh khơng rộng.
• Điều chỉnh công suất trượt

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

10


Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha
Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm
đặc tính và để nguyên tốc độ khơng tải lý tưởng thì cơng suất trượt  ps=  pđt được tiêu
tán trên điện trở mạch roto.ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn,tổn hao này
là đáng kể.vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động điện,vừa tận dụng được
công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt (sơ đồ nối tầng / nối cấp)
P1 = Pcơ + Ps = P1(1 –s) +sP1 = const.
Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng.
Khi điều chỉnh với

 < 1 :được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ (lấy

năng lượng Ps ra phát lên lưới).
Khi điều chỉnh với

 > 1 (s<0):điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ (nhận

năng lượng ps vào ) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hai nguồn cung cấp.
Nếu tái sử dụng năng lượng Ps để tạo Pcơ : được gọi là truyền động nối cấp
cơ.phương pháp này khơng có nghỉa nhiều vì khi

 giảm cịn

1/3

1

thì Ps = 2/3.P1

tức là công suất động cơ 1 chiều dùng để Ps phần gần đúng bằng động cơ chính xoay
chiều.nếu không nên điều chỉnh

 xuống.trong thực tế ta không dùng phương pháp

này.
• Điều chỉnh tần số nguồn cấp stator
Khi điều chỉnh tần số động cơ đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp, dịng
điện, hoặc từ thơng trong mạch stator do trở kháng, từ thơng, dịng điện của động cơ bị
thay đổi.
-

Luật điều chỉnh tần số - điện áp

Ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số, sức điện động stator động cơ được điều

chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thơng khe hở khơng đổi. Động cơ có khả năng
sinh momen như nhau ở mọi tần số định mức có thể điều chỉnh tốc độ ở 2 vùng:
+ vùng dưới tốc độ cơ bản: giữ từ thông không đổi qua điều khiển tỷ số sức điện
động khe hở/tần số là hằng số
GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

11


Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha
+ vùng trên tốc độ cơ bản: giữ công suất động cơ khơng đổi, điện áp được duy
trì khơng đổi, từ thông động cơ giảm theo tốc độ.
-

Theo khả năng quá tải:
Để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà khơng làm động cơ bị q tải dịng thì

cần phải điều chỉnh cả điện áp.đối với biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giử cho khả
năng quá tải về momen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ.luật điều chỉnh là
Us = fs(1+x/2) với x phụ thuộc tải.khi x = 0 (Mc = const,ví dụ cơ cấu nâng hạ )thì luật điều
chỉnh us/fs khơng đổi.
-

Điều chỉnh từ thông:
Trong chế độ định mức,từ thông là định mức và mạch từ là tối đa.luật điều chỉnh

tần số - điện áp là giử gần đúng từ thông không đổi trên tồn dải điều chỉnh.tuy từ thơng

động cơ trên mổi đặc tính cơ cịn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s,tức là phụ thuộc vào
momen tải trên trục động cơ.vì vậy trong các hệ điều chỉnh yêu càu chất lượng cao cần
tìm cách bù từ thơng. Phương pháp này có nhược điểm là mổi đông cơ phải cài đặt một
sensor do từ thơng khơng thích hợp cho sản xuất đại trà và cơ cấu đó gắn liền trong đó
bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiểu.
Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dịng điện thì có thể điều chỉnh được từ
thông roto mà không cần cảm biến tốc độ.
-

Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện:
Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tần nguồn dòng. Biến tần nguồn dịng

có ưu điểm là tăng được cơng suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện
hãm tái sinh động cơ . Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng
điện, tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển
. Để tạo nguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một
chiều có bộ điều chỉnh dịng điện có cấu trúc tỷ lệ - tích phân (PI), mạch lọc là điện
kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn.
-

Điều chỉnh tần số - dòng điện:

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

12


Chương 1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ
ba pha
Việc điều chỉnh từ thông trong hệ thống biến tần nguồn dòng được thực hiện

tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp.
-

Điều chỉnh vectơ dòng điện:
Tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp ở hệ thống biến tần nguồn dịng cũng

có thể thực hiện điều chỉnh từ thơng bằng cách điều chỉnh vị trí vectơ dịng điện khơng
gian. Điều khác biệt là trong hệ thống biến tần nguồn dòng thì dịng điện là liên tục và
việc chuyển mạch của các van phụ thuộc lẫn nhau.
-

Điều khiển trực tiếp mômen
Ra đời năm 1997, thực hiện được đáp ứng nhanh. Vì r có qn tính cơ nên

khơng biến đổi nhanh được, do đó ta chú trọng thay đổi s khơng thay đổi r. Phương
pháp này khơng điều khiển theo q trình mà theo điểm làm việc. Nó khắc phục nhược
điểm của điều khiển định hướng trường vectơ rôto r cấu trúc phức tạp, đắt tiền, độ tin
cậy thấp (hiện nay đã có vi mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo dòng điện qua
cảm biến gây chậm trễ, đáp ứng momen của hệ điều khiển vectơ chậm (cỡ 10 ms) và
ảnh hưởng của bão hoà mạch từ tới Rs lớn.
Kết luận: trong hệ thống truyền động điều khiển tần số, phương pháp điều khiển
theo từ thơng rotor có thể cho ta đặc tính tĩnh và động của động cơ tốt.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

13


Chương 2: Xây dựng cơ sở thuật toán học

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TỐN FOC

2.1 Mơ tả tốn học động cơ không đồng bộ 3 pha
Đối với các hệ truyền động điện đã được số hố hồn tồn, để điều khiển biến
tần người ta sử dụng phương pháp điều chế vectơ không gian. Khâu điều khiển biến tần
là khâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/ điều chỉnh bằng số với khâu chấp
hành. Như vậy cần mô tả động cơ thành các phương trình tốn học.
Quy ước: A, B, C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rotor và a,b,c chỉ thứ tự pha các
cuộn dây stator.
Giả thiết:
+ Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, rôto vượt góc .
+ Tham số khơng đổi.
+ Mạch từ chưa bão hồ.
+ Khe hở khơng khí  đồng đều.
+ Nguồn ba pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2/3).

U k = I k Rk + d

k
dt

Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k như sau:
+ Trong đó: k là thứ tự cuộn dây A,B,C rotor và a,b,c stator.
+ k là từ thông cuộn dây thứ k. k=Lkjij. Nếu i=k: tự cảm, jk: hỗ cảm.
Ví dụ:a =L a ai a+L abi b+L aci c+L aAi A+L aBi B+L aCi C
Vì ba pha đối xứng nên :
Ra =Rb =Rc = Rs , RA =RB =RC =Rr
L aa =L

bb

=L cc =L s1 , L AA =L

BB

=L CC =L r1

L ab =L ba =L bc ...=-M s , L AC =L BC =L AB ...=-M r

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

13


Chương 2: Xây dựng cơ sở thuật toán học
L aA = L bB =L cC =L Aa = L Bb =L Cc =Mcos
L aB =L bC =L cA =L Ba = L Cb =L Ac = Mcos(+2/3)
LaB =L bC =L cA =L Ba = L Cb =L Ac = Mcos(+2/3)
L aC =L bA =L cB =L Ca = L Ab =L Bc = Mcos( -2/3)

M = i st

d
{Lm ( )ir }
d

Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến
thiên theo thời gian vì góc quay  phụ thuộc thời gian:

 = 0+(t)dt
Kết luận: nếu mơ tả tốn học như trên thì rât phức tạp nên cần phải đơn giản bớt
đi. Tới năm 1959 Kôvacs (Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính khơng gian vectơ
và Park (Mỹ) đưa ra phép biến đổi d, q.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

14


Chương 2: Xây dựng cơ sở thuật toán học

2.2 Phép biến đổi tuyến tính khơng gian vector
Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện áp
thành các véc tơ không gian. Lấy một mặt phẳng cắt mơtơ theo hướng vng góc với
trục và biểu diễn từ không gian thành mặt phẳng. Chọn trục thực của mặt phẳng phức
trùng với trục pha a.
Ia

+1()
is

is

+j()
is

a2 .ic
a.ib

Hình 2.1- Tương quan giữa hệ toạ độ  và toạ độ ba pha a,b,c

Ba véc tơ dòng điện stator ia, ib, ic tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quay
trịn is . Véc tơ khơng gian của dòng điện stator:
is =

2
(ia + aib + a 2 ic )
3
a=e

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

j

2
3

15


Chương 2: Xây dựng cơ sở thuật toán học
Muốn biết is cần biết các hình chiếu của nó lên các trục toạ độ: is,is.

i s = is + jis
1
i s = Re{is } = (2ia − ib − ic )
3

i s = Im{is } =

3
(ib − ic )
3
u

u

Hình 2.2- Cuộn dây 3 pha nhìn trên 

Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phương trình (3 rơto, 3 stato) thành
nghiên cứu 4 phương trình .
Phép biến đổi từ 3 pha (a,b,c) thành 2 pha (, ) được gọi là phép biến đổi thuận.
Còn phép biến đổi từ 2 pha thành 3 pha được gọi là phép biến đổi ngược.
Đơn giản hơn, khi chiếu is lên một hệ trục xy bất kỳ quay với tốc độ k:
k =0 + kt
+ Nếu k=0, 0=0 :đó là phép biến
đổi với hệ trục ,  (biến đổi tĩnh)

x
k

Ia
k

is

+ Nếu k=1, 0 tự chọn bất kỳ (để
đơn giản một phương trình cho x
trùng r để ry=0): phép biến đổi

a2 .ic

a.ib

d,q.
+ Nếu k= 1 -  =r : hệ toạ độ cố
định , đối với rơto (ít dùng).

y

Hình 2.3 Chuyển sang hệ toạ độ quay
bất kỳ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

16


Chương 2: Xây dựng cơ sở thuật toán học
Các hệ toạ độ được mô tả như sau:


pha B

d

q
is

is
isd
r

hướng trục rôto
S

isq

pha A



is

pha C

Hình 2.4- Các đại lượng is , r của động cơ trên các hệ toạ
độ

Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ:
a,b,c → :

is = ia
is =

1
3

(ia + ib )

 → d,q
isd = iscos + issin
isq = iscos - issin

ia = is

1

 → a,b,c: ib = (−is + 3.is )
2

1

ic = 2 (−is − 3.is )

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

17


Chương 2: Xây dựng cơ sở thuật toán học
d,q → 
is = isdcos - isqsin
is = isdsin + isqcos
2.3 Mô hình hóa
2.3.1 Quy ước
• Chỉ số bên phải trên cao:
+ 𝑓 đại lượng mô tả hệ tọa độ tựa theo từ thông
+ 𝑠 đại lượng mô tả trên hệ toa độ 𝛼𝛽, cố định với stator

+ 𝑟 đại lượng mô tả trên hệ tọa độ cố định với roto
• Chỉ số bên phải, phía dưới
+ 𝑠 đại lượng mạch stator
+ 𝑟 đại lượng mạch roto
+ 𝑑, 𝑞 các thành phần thuộc hệ tọa độ 𝑑𝑞
+ 𝛼, 𝛽 các thành phần thuộc hệ tọa độ
• Các đại lượng viết đậm: vector (chữ thường), ma trận (chữ hoa).

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

18


Chương 2: Xây dựng cơ sở thuật toán học
2.3.2 Các phương trình của động cơ
• Cơng thức chuyển hệ tọa độ
Ta hãy thử hình dung một hệ tọa độ mới quay với vận tốc góc 𝜔𝑘 . Việc chuyển hệ
tọa độ các đại lượng giữa hệ tọa độ mới và hệ thống của cuộn dây được thực hiện như
sau:

𝑢𝑠𝑠 = 𝑢𝑠𝑘 𝑒 𝑗𝜗𝑘
𝑖𝑠𝑠 = 𝑖𝑠𝑘 𝑒 𝑗𝜗𝑘
𝜓𝑠𝑠 = 𝜓𝑠𝑘 𝑒 𝑗𝜗𝑘
𝑑𝜓𝑠𝑠
𝑑𝑡

𝑑𝜓𝑠𝑘

=

𝑑𝑡

𝑒 𝑗𝜗𝑘 + 𝑗𝜔𝑘 𝜓𝑠𝑘 𝑒 𝑗𝜗𝑘

• Phương trình điện áp stator
𝒖𝑠𝑠 = 𝑅𝑠 𝒊𝑠𝑠 +

𝑑𝜓𝑠𝑠
𝑑𝑡

Trong đó 𝑅𝑠 : điện trở stator; 𝜓𝑠𝑠 : từ thông stator
Chuyển sang hệ toa độ d,q (tựa theo từ thông roto). Ta thay 𝜔𝑘 = 𝜔𝑠 là tốc độ
góc của vecto thuộc mạch điện stator và của vecto tư thông roto.

ufs

=

R s ifs

dψfs
+
+ jωs ψfs
dt

• Phương trình điện áp roto
𝟎=

𝑅𝑟 𝒊𝑟𝑟

𝑑𝜓𝑟𝑟
+
𝑑𝑡

Trong đó 𝑅𝑟 : điện trở roto; 𝜓𝑟𝑟 : từ thông roto; 0: vector rỗng
Chuyển sang hệ tọa độ d,q. Ta thay 𝜔𝑘 = 𝜔𝑠 − 𝜔 = 𝜔𝑟 là tốc độ trượt tương đối
của roto.
𝑓

𝟎=

𝑅𝑟 𝒊𝑟𝑠

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

𝑑𝜓𝑟
𝑓
+
+ 𝑗𝜔𝑟 𝜓𝑟
𝑑𝑡
19


Chương 2: Xây dựng cơ sở thuật tốn học
• Phương trình từ thơng

{

𝜓𝑠 = 𝐿𝑠 𝒊𝑠 + 𝐿𝑚 𝒊𝑟
𝜓𝑟 = 𝐿𝑚 𝒊𝑠 + 𝐿𝑟 𝒊𝑟

𝐿 = 𝐿𝑚 + 𝐿𝜎𝑠
{ 𝑠
𝐿𝑟 = 𝐿𝑚 + 𝐿𝜎𝑟

với

Trong đó 𝐿𝑚 : hỗ cảm; 𝐿𝑠 , 𝐿𝑟 : điện cảm phía stator, phía roto

𝐿𝜎𝑠 , 𝐿𝜎𝑟 : điện cảm tản phía stator, phía roto
• Phương trình mơ men quay
3

-

𝑚𝑀 = − 2 𝑧𝑝 |𝜓𝑟 × 𝑖𝑟 |𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑠𝑖𝑛𝜑𝑟 )

-

𝑚𝑀 = 2 𝑧𝑝 𝐼𝑚{𝜓𝑠 𝑖𝑠∗ }

3

2.3.3 Mô hình hóa động cơ khơng đồng bộ trên tọa độ d,q
𝑓

𝑑𝜓𝑠
𝑓
=
+

+ 𝑗𝜔𝑠 𝜓𝑠
𝑑𝑡
𝑓
𝑑𝜓𝑠
𝑓
𝑓
𝑓
𝑢𝑠 = 𝑅𝑠 𝑖𝑠 +
+ 𝑗𝜔𝑠 𝜓𝑠
𝑑𝑡
𝑓
𝑓
𝑓
𝜓𝑠 = 𝐿𝑠 𝑖𝑠 + 𝐿𝑚 𝑖𝑟
𝑓
𝑢𝑠

𝑓
𝑅𝑠 𝑖𝑠

𝑓

𝑓

𝑓

{ 𝜓𝑟 = 𝐿𝑚 𝑖𝑠 + 𝐿𝑟 𝑖𝑟

Ta tìm cách loại bỏ dịng roto và từ thơng stator ra khỏi hệ phương trình và thu
được:

𝑑𝑖𝑠𝑑
1
1−𝜎
1−𝜎 ′
1−𝜎
1
′
=(
+
) 𝑖𝑠𝑑 + 𝜔𝑠 𝑖𝑠𝑞 +
𝜓𝑟𝑑 +
𝜔𝜓𝑟𝑞
+
𝑢
𝑑𝑡
𝜎𝑇𝑠
𝜎𝑇𝑟
𝜎𝑇𝑟
𝜎
𝜎𝐿𝑠 𝑠𝑑
𝑑𝑖𝑠𝑞
1
1−𝜎
1−𝜎
1−𝜎 ′
1
′
= −𝜔𝑠 𝑖𝑠𝑑 − (
+
) 𝑖𝑠𝑞 −

𝜔𝜓𝑟𝑑
+
𝜓𝑟𝑞 +
𝑢
𝑑𝑡
𝜎𝑇𝑠
𝜎𝑇𝑟
𝜎
𝜎𝑇𝑟
𝜎𝐿𝑠 𝑠𝑞
′
𝑑𝜓𝑟𝑑
1
1 ′
′
= 𝑖𝑠𝑑 − 𝜓𝑟𝑑
+ (𝜔𝑠 − 𝜔)𝜓𝑟𝑞
𝑑𝑡
𝑇𝑟
𝑇𝑟
′
𝑑𝜓𝑟𝑞
1
1 ′
′
= 𝑖𝑠𝑞 − (𝜔𝑠 − ω)𝜓𝑟𝑑
− 𝜓𝑟𝑞
{ 𝑑𝑡
𝑇𝑟
𝑇𝑟

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

20